TEMA 22: PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE ÁCIDOS ORGÁNICOS


Dr. Pedro F. Mateos González


I. INTRODUCCIÓN


Los ácidos orgánicos encuentran amplio uso como aditivos en la industria de alimentos y también como aditivos químicos en piensos. Todos los ácidos del ciclo de los ácidos tricarboxílicos pueden ser producidos microbiológicamente con un alto rendimiento. Algunos ácidos que derivan indirectamente del ciclo de Krebs, como el ácido itacónico (se obtiene a partir del ácido isocítrico), también pueden producirse de la misma manera. Así mismo se obtienen otros ácidos orgánicos que derivan directamente de la glucosa (p.ej. el ácido glucónico) o que se forman como productos finales a partir del piruvato o del etanol (p.ej. el ácido láctico o el ácido acético).

Excepto en la producción del ácido cítrico, que se produce enteramente por
procesos microbianos, existe frecuentemente una gran competición entre los procesos químicos y los biológicos. En algunos ácidos como el láctico y acético se utilizan indistintamente los métodos químicos o microbiológicos para su preparación. Para otros ácidos (cetoglutárico, málico) se han desarrollado procesos de fermentación que no se utilizan comercialmente, bien debido a la insuficiente demanda del ácido o por razones económicas.




II. ÁCIDO CÍTRICO


La principal
fuente de ácido cítrico, antes de que se desarrollaran los procesos microbianos, fueron los cítricos procedentes de Italia (los limones contienen 7%-9% de ácido cítrico). Actualmente más del 99% de la producción mundial de ácido cítrico se produce microbiológicamente. El 70% se utiliza en la industria de alimentos y bebidas ya que el sabor de los jugos de frutas, extractos de jugos de frutas, caramelos, helados y mermeladas se aumenta o se preserva por adición de ácido cítrico. El 20% se destina a productos farmacéuticos como el citrato de hierro y ácido cítrico que se usan como conservantes de la sangre almacenada así como en tabletas, pomadas y preparaciones cosméticas. En la industria química (10% restante) el ácido cítrico se utiliza como agente antiespumante, como reblandecedor y para el tratamiento de textiles. En la industria metalúrgica los metales puros se producen como citratos metálicos.

En la actualidad, para la producción comercial de ácido cítrico, sólo se utilizan
mutantes de Aspergillus niger. La esencia de la obtención del ácido cítrico conlleva limitar las cantidades de trazas de metales, como el manganeso y el hierro (cofactor de la aconitasa), para evitar el sobrecrecimiento de Aspergillus niger. El medio suele tratarse con resinas de intercambio iónico para asegurar concentraciones bajas y controladas de los metales disponibles. La obtención del ácido cítrico, que en un principio se realizaba mediante el crecimiento en una superficie estática, ahora se lleva a cabo en fermentadores aeróbicos con agitación. Generalmente se utilizan como materia prima las melazas en altas concentraciones (15-18%). El ácido cítrico es un producto metabólico primario y se forma en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La glucosa es la principal fuente de carbono utilizada para la producción de ácido cítrico. En la trofofase, parte de la glucosa añadida se utiliza para la producción de micelio y se convierte, a través de la respiración, en CO2. En la idiofase, el resto de glucosa se convierte en ácidos orgánicos existiendo una pérdida mínima por respiración. Durante la idiofase y cuando el nivel de sustrato es alto, se expresan todas las enzimas del ciclo de Krebs excepto la a-cetoglutarato deshidrogenasa. La actividad citrato sintasa aumenta por un factor de 10, mientras que las actividades de los enzimas que catabolizan el ácido cítrico, aconitasa e isocitrato deshidrogenasa, se reducen drásticamente en comparación con su actividad durante la trofofase. Esto da lugar a una acumulación y excreción de ácido cítrico por el microorganismo sobrecargado. El rendimiento teórico es de 112g de ácido cítrico anhidro por 100g de sacarosa. Sin embargo, tales rendimientos no se obtienen en la práctica debido a las pérdidas durante la trofofase. Generalmente se consigue un 60% sobre el rendimiento teórico.




III. ÁCIDO GLUCÓNICO


En la producción de ácido glucónico sólo participa una única enzima microbiana, la
glucosa oxidasa, que se encuentra en Aspergillus niger. Este hongo crece en condiciones óptimas en el líquido de maceración del maiz pero cuando el crecimiento se ve limitado por el nitrógeno, las células en reposo transforman la glucosa restante en ácido glucónico. El gluconato sódico se utiliza como agente secuestrante en muchos detergentes.




IV. ÁCIDO ACÉTICO


La producción de ácido acético a partir de líquidos alcohólicos ha sido conocida desde hace tanto tiempo como la producción de vino (unos 10.000 años). Los
Romanos y los Griegos, que utilizaban el vinagre diluido como bebida refrescante, producían vinagre dejando el vino abierto al aire. El vinagre se produjo sólo para consumo local hasta la Edad Media. Los primeros vinagres fabricados industrialmente eran producidos en vasijas planas abiertas. Eran procesos lentos en los que flotaba una película de bacterias sobre la superficie del vino. En el siglo XIX se modificaron los procesos en superficie hacia procesos más rápidos. Uno de éstos, el proceso del generador de goteo se utiliza todavía en la actualidad. En este proceso el biorreactor de madera tiene un volumen de 60 m3 y está lleno de virutas de haya. El material de partida se rocía sobre la superficie y se deja gotear a través de las virutas (que contienen bacterias) hasta el fondo del recipiente donde la solución parcialmente convertida es enfriada y bombeada de vuelta a la parte superior. A medida que el alcohol pasa a través de las virutas, las bacterias acéticas (Acetobacter y Gluconobacter) oxidan parte del alcohol a ácido acético. Este proceso se repite hasta que se obtiene el vinagre con la fuerza que se quiera. Al ser un proceso aeróbico se debe suministrar abundante aire a través de la cámara. Además, la temperatura se debe mantener entre 15 y 34ºC que es el rango óptimo de crecimiento de Acetobacter. Del alcohol que se añade, el 88-90% se convierte en ácido acético. El resto del alcohol se utiliza en el metabolismo primario o escapa con los gases de salida. El tiempo necesario para producir ácido acético del 12% mediante este proceso es de unos tres días.